光模块的技术参数详细讲解 光模块是光纤通信的一个接口，信号转换接口,  需要将大量的电信号转换为光信号，或者将大量的光信号转换为电信号。咱们生活里也经常用到各种接口的相互转换，比如Type C与USB的转换接口。光模块也是如此，核心的目的是实现电信号与光信号的相互转换，之所以叫做“光”模块，或者“光”收发模块，主要是突出光信号处理难度大。对于一个接口，首先需要界定的是接口的外型，咱们光模块一头要与系统侧的电信号插拔互联，另一头需要与光纤适配联通光信号。光模块外型结构定义光接口与电接口 光模块的外型标准有很多，在标准里定义一个光模块的长宽高、结构限定卡槽位置等等等等，就像咱们只要说USB接口就行，不再细节到结构长宽高分别xx毫米。光模块也如此。提到一个光模块类型的话，基本的外型结构就算定下来了，无论哪一家生产的，基本尺寸都可以互相适配。有些光模块的外型结构较大，比如相干光模块，里边需要组装的元器件很多。有些光模块的尺寸略小，因为交换机的空间有限，尽量做小一点，可以多插入几个光模块，实现接口等效比特密度的提高，提高接口的转换容量。有一些接口的外型封装是一样的，但内部的转换容量有差异，就像是USB1.0与2.0或者是3.0的区别一样，外型类似，但信号的接口速率有差异。光模块的电接口，需要定义信号的类型和顺序，在光模块的详细规格书里有会看到电口的定义列表。光模块的光学接口，也会有光接口的标准，已经光学接口的信号顺序列表定义。光模块的光谱特性波长、谱宽、线宽、边模抑制比 光模块的“光”，必然就会涉及到光波的特性参数，比如中心波长在哪一个波段，这几个波段是实芯光纤二氧化硅材料的低损耗区间。多模的波段主要是迁就VCSEL这个面发射的光源，面发射比边发射更方便降低成本，但产业规模应用的VCSEL材料只适合较短波长，基于VCSEL做光源的模块，通常是多模光模块，工作在其中的一个或多个波长。VCSEL也在研究少模或单模的应用，产业也在尝试1060nm这个波长相关的模式、速率、材料、可靠性等研究工作。数据中心和AI的组网，除了短波长外，还有1310nm的灰光并行单模传输，以及CWDM4（或者叫FR4）的四波长复用。5G应用里有CWDM6的波长，除了重用CWDM4的四个波长外，额外增加了1351nm和1371nm。在DCI园区组网里，城域网等，也有LWDM的波长选择。DCI长距、干线传输，通常选择C、C+、C+L这些波段，用于密集波分复用，提高传输容量。PON的接入网，通常选择其中的2个、4个、6个波长来进行代际兼容与BiDi单纤波长设定。简而言之，PON的入户光纤，一户尽量就一根光纤，方便操作，也降低成本。知道了中心波长，还希望知道中心波长的“漂移”范围，我们的光模块的波长并不是理想波长，而是有一个基于中心波长的漂移范围。通常用谱宽或线宽来约束。谱宽的话，有两大类的定义，一大类是-3dB光谱宽度，另一大类是-20dB光谱宽度。-3dB就是0.5的分贝表述而已，也就是光能量下降到一半时的光谱宽度。-20dB等于0.01，也就是光能量下降到1%时的光谱宽度。咱们的DFB就总是用-20dB光谱宽度来表述。波分相干光模块里呢，用线宽来做表述更常见。 线宽与谱宽是可以换算的。光的波长与频率也是可以换算的。不同领域，用法习惯有差异。还有一个参数，是单纵模的表述，边模抑制比SMSR，就是主模是最大边模能量的多少倍。我们要求SMSR>30dB，代表主模的能量是边模（最大的次模，旁边的那个噪声模式）的1000倍以上。如果能达到40dB以上更好啊，越大越好。信号的调制格式NRZ、PAM4、QPSK、16QAM等 光模块很重要的一个参数就是约定信息传递是双方采用哪一种编码格式，最常见的是NRZ，称之为非归零码，在低速光模块里非常普遍，一个bit只有两种状态，或为1或为0，标准的二进制。在高速以太网光模块，200G以上的光模块出现了PAM4的调制格式，4阶幅度调制，可以认为这是一个十进制，0,1,2,3，四个状态，换算成二进制的话，一个PAM4等于俩NRZ。在相干光模块，早期采用DP-QPSK，DP是偏振复用，QPSK是相位复用，二者结合，等于4个NRZ编码。后来的400G相干光模块又采用了DP-16QAM更复杂的编码格式，等于8个NRZ编码，提高了编码效率。信号速率波特率xxGBd与比特率bps 波特率与比特率的换算，与编码格式相关。所以标准中约定了编码格式以及波特率与比特率。信道传输的各点功率-发射端功率Pavg、ER、OMA 发射端的平均输出光功率Pavg，以及消光比ER，OMA光调制幅度等参数，表征了发射端的各种信号功率。OMA功率说的是最大信号与最小信号的功率差值，ER是最大信号功率与最小功率的比值，平均光功率则是最大功率与最小功率的平均值。通过各种方式来约定Tx侧的信号功率。对于发射端而言，功率的上限与下限都会给出的，通常咱们认为信号功率越大越好，其实不是的。功率太小，通过传输后容易出现误码。功率太大，或者引起非线性效应，信号质量变差，出现误码，或者功率太大导致接收端的探测器二极管饱和失真或被击穿失效，这些也会影响整体的光信号的传输质量。通常发射端的与功率相关的多个交叉参数，会最终约定一个上限以及下限，确保光模块的功率设定值在特定的传输场景，性能处于优良区间。信道传输的各点功率-接收端灵敏度以及饱和功率 灵敏度是可接受的误码率范围内的最小信号功率的临界值，再小，则误码率会无法接受。饱和功率则是可接受的误码率范围内的最大信号功率的临界值，再大，则误码率也会无法接受。灵敏度是最小功率，饱和是最大功率，二者之间的功率区间，通常误码率都小于临界值，属于正常工作区。这个曲线看起来十分像“浴盆”，业内也将误码率与接收功率的拟合线线称为浴盆曲线。误码率是测试灵敏度与饱和功率的一个检测条件，理想状态是无误码，而实际上不可能无误码，只能约定一个误码率的界限。通常这个界限分两类，一类是用户感知到的误码率界限，比如10的-10次方，误码率是百亿分之一，非常低，可以忽略。另一类是光模块的误码率界限，光模块之后会级联FEC前向纠错，将部分误码纠正。比如某些FEC可以将十万分之一的误码率，FEC纠错后降低到百亿分之一。这个误码率，通常称之为纠前误码率阈值，这个标定条件在光模块的详细规格书，或者标准体系中，明确表述的。下图这个2e-3，就是BER误码率的纠前阈值。信号噪声的等效描述：TDEC、TDECQ、RIN 描述一个信号的质量，与信噪比相关，也就是信号的功率与噪声相比，噪声越小越好。刚才提到信号的功率的参数，光模块里还会提到等效噪声的几个相关参数。NRZ格式的TDEC，眼闭代价，间接表示了噪声的分布，因为信号的噪声太大，导致信号叠加后的眼图很“毛”，眼睛闭合。 对于TDEC而言，越小越好。同理，PAM4的信号的眼闭代价叫做TDECQ，Q是四阶的意思。也是越小越好，代表噪声很小，信号质量很好 。或者直接让光模块厂家测试RIN，RIN叫做相对强度噪声，相对于信号功率而言，噪声的比例是多大。本质上就是噪声/信号，属于信噪比的另一个维度的描述。通过这么些内容，最后加上光纤传输距离，基本上就能框定这个光模块了。

铜皮表面粗糙度对信号质量的影响，与粗糙度模型的区别 理想的信号传输路径是电流以均匀分布的方式沿着铜皮的横截面向前传输，传输线的长度就是信号实际需要传输的距离。但事实上，铜皮并不是光滑的，其表面由于制造工艺的差别，会有不同的粗糙度。同时，交边电流的传输也并非沿着铜皮的横截面均匀传输。这些电流会集中在导体的表层，越靠近导体表面，电流密度也就越大，这也就是趋肤效应。不同材料产生趋肤效应的程度并不相同，我们只考虑线路板中主要使用的铜这种材料。其在不同频率的信号趋肤深度如下图：随着频率的增加，趋肤深度越来越浅，此时铜皮表面光滑程度就开始逐渐影响信号的质量。其影响表现在损耗中的导体损耗增加。目前铜皮的处理方法中常见的有：常规铜（STD）、反转铜（RTF）、超低表面粗糙度（HVLP）、压延（RA）、极低粗糙度（ULP）等，这几种主要处理方式的表面粗糙度大致如下图：可见处理方式的不同，粗糙度有着较大的差异，传输的信号频率越高，越需要选择粗糙度更低的铜皮。在仿真软件中，我们也可以对铜皮表面进行建模，以获得更为准确的仿真结果。以HFSS 3D Layout为例，可以在层叠的菜单设置中设置铜皮的粗糙度：软件提供了两种模型，分别是Hammerstad Model和Huray Model。Hammerstad Model是基于1949年提出的Morgan模型。其基础是将铜皮表面模拟为锯齿状，信号从锯齿表面流动，由于传输路径从直线变成了锯齿，因此传输路径增长，从而损耗增加。但是这种模型缺少实际的物理理论支撑，属于数学拟合。而且这种模型容易饱和，通常只在低粗糙度的情况下适用，其适用范围为表面粗糙度RMS＜2的情况。对于较粗糙的铜以及较高速率的信号并不适用。Huray Model则是基于实际的物理模型，将铜皮表面模拟为不同大小和密度的“雪球”，并将这些“雪球”堆成金字塔的几何形状。这种模型就比较接近于实际的铜皮表面情况，下图为电子显微镜（SEM）下铜皮表面的照片：Huray Model理论上可以模拟出很接近实际的铜皮表面情况，但也存在参数难于获取的问题。要想准确的建模，需要通过SEM扫描来获取建模所需要的“雪球”信息。不过如果对精度要求不是特别高，可以按照下面的参数来设置“雪球”的大小和半径。即将半径设置为0.5um，密度可以根据中等粗糙度和超低粗糙度设置为6和3。需要说明的是，铜皮正面和背面的粗糙度并不相同。通常在和基材粘合的一面会更为粗糙，比如STD方式的铜箔，其光面和毛面的粗糙度差异可以达到1~2um，当然如果选择的是HVLP的铜箔，光面的毛面的差异会小很多。有了前面的基础，我们就可以拿一段走线，分别按照绝对光滑，中等粗糙度，超低粗糙度这三种不同的参数分别提取S参数。对比S参数就可以发现，当信号速度较低的时候粗糙度对损耗没有明显影响。但随着速率增加，信号的趋肤深度越来越浅，此时粗糙度带来的影响就需要引起重视。

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BUCK输出电压纹波来源以及如何减小纹波 第一部分：输出电压纹波以Buck电路为例，由于寄生参数的影响，实际Buck电路的输出电压并非是稳定干净的直流电压，而是在直流电压上叠加了输出电压纹波和噪声，如图1所示。图1. Buck 输出电压纹波和噪声实际输出电压纹波由电感电流与输出阻抗决定，由三部分组成，如图2 所示。电感电流纹波通过输出电容的寄生电阻ESR形成的压降输出电容的充放电寄生电感引起的电压突变图2. 输出电压纹波的组成不同类型的输出电容，寄生参数的大小不同，三部分纹波所占的比例也有所不同。因此，使用不同类型的输出电容会得到不同波形的电压纹波。如图3所示，电解电容的ESR较大，纹波由ESR主导，波形与电感电流纹波形状类似。陶瓷电容的ESR和ESL都很小，主要由电容的充放电主导，纹波类似电容的充放电曲线。OSCON电容三者的影响都体现在纹波中。图3. 不同类型输出电容的电压纹波第二部分：输出电压纹波的测量在测量输出电压纹波时，要注意如下几点，正确方式如图4所示。保证接地环路尽可能小，建议使用接地环探头应靠近电容两侧避免同时使用示波器其他通道测试其他点位的波形如果只关注开关频率分量纹波，建议打开示波器带宽限制如图5所示，左侧波形同时测量开关节点和输出电压纹波，带宽限制关闭。可以看到，输出电压纹波中的噪声较大，影响纹波的测量。图4. 输出电压纹波测试方式图5. 输出电压纹波测试对比第三部分：输出电压纹波的抑制由以上分析可知，输出电压纹波由电感纹波电流和输出电容阻抗决定（式1）。因此，要降低输出电压纹波可以通过降低电感电流纹波或者降低输出电容阻抗。 当输入输出电压和负载一定时，电感电流的纹波跟开关频率和电感量成反比。增加电感量或者开关频率可以有效降低输出电压的纹波，但开关频率和电感往往受到电路效率和体积等的限制。当开关频率和电感值一定时， 抑制纹波电压最有效的方式是减小输出电容在开关频率处的输出阻抗。在实际应用场景中，通常会并联多种不同的输出电容来获得足够的容量并降低输出电压纹波，如图6所示。由式(2)-(5)可以计算得到输出电容的总阻抗以及等效的电阻和电容。若已知Buck电路的开关频率，通过式(3)可得到开关频率处的阻抗，也就可以得到输出电压纹波。但是，当输出电容数量较多时，计算会变得很复杂。简单有效的方式可以借助Excel 工具，如图6所示。图6. 多个输出电容并联图7. 输出电压纹波计算工具若选择合适的电容仍然无法满足纹波的要求，可以增加第二级LC 滤波器来进一步降低输出电压纹波， 如图8所示。图8. Buck 电路第二级LC滤波器第二级LC滤波器提供额外的增益衰减，但同时高品质因素Q值也会导致相位裕度降低，甚至导致环路稳定性问题，如图9所示。为保证环路稳定，可以在L2两端增加damp电阻，降低Q值。图10以TI电源模块LMZ23601为例 (Vin = 24V, Vout = 5V, Fsw = 750kHz, Iout = 1A)，在输出端增加160nH 电感, 3X22uF 电容, 250mΩ damp电阻，输出电压纹波<1mV。图9. Buck两级滤波波特图图10. LMZM23601 两级滤波图11. LMZ23601 两级滤波输出电压纹波综上所述，理解输出电压纹波的形成原理，根据实际应用要求，针对性地优化电感值、开关频率以及输出电容，可有效降低输出电压纹波，满足应用需求。

光模块中的NRZ与PAM4调制信号 暂无简介